DFTB+使用入门：输入文件的Hamiltonian部分写法

ChemiAndy

有些初学DFTB的朋友表示对DFTB+的输入文件设置有些困惑，我这里分享一些经验。

首先说一下DFTB，SCC-DFTB这几个概念的不同。DFTB是指基于密度泛函的紧束缚模型，这个模型是50年代提出的用于周期固体体系一种近似模型，使用“轨道能+排斥势”表示总能并通过拟合高级计算结果获取经验参数的一种方法。后来发现这个模型用于分子体系计算非常节约时间，可惜键长、生成热等性质误差太大。这可以通过进一步增加含参数的势函数以提高精确性。Elsner等人提出了基于电荷自洽的DFTB：SCC-DFTB。这个模型尝试在原DFTB的能量式后面增加一个多项式，这个多项式是关于原子电荷的泰勒展开，用于修正DFTB对交换、相关作用的误差。然后用高水平DFT计算结果去训练（拟合）这个多项式的参数。这个多项式展开到2级叫SCC-DFTB2，展开到3级叫SCC-DFTB3。其中还分加不加氢键校正（加氢键应该使用DampXH=Yes并设置gamma参数DampXHExponent）SCC-DFTB3还分ThirdOrder和ThirdOderfull两种，其中ThirdOrder只包含对角元项(on-site)，而ThirdOrderFull还包括交叉项。正常的SCC-DFTB3应该使用ThirdOrderFull，并且正确给出HubbardDerivs。

下面是各种不同方法的Hamiltonian部分的写法：（注意尽量使用最新方法即SCC-DFTB3-h）

SCC-DFTB2

1. Hamiltonian = DFTB {
   
2.   SCC = Yes
   
3.   SlaterKosterFiles = Type2FileNames {
   
4.     Prefix = "/home/user/bin/dftb/1.2/slako/mio-0-1/"
   
5.     Separator = "-"
   
6.     Suffix = ".skf"
   
7.   }
   
8.   charge = 1.0  // not neccessary your case, default 0
   
9.   MaxAngularMomentum {
   
10.     C = "p"
    
11.     N = "p"
    
12.     H = "s"
    
13.     O = "p"
    
14.   }
    
15.   Filling = Fermi {
    
16.     Temperature [Kelvin] = 50
    
17.   }
    
18.   DampXH = No
    
19. }

复制代码

SCC-DFTB2-h (带氢键校正)

1. Hamiltonian = DFTB {
   
2.   SCC = Yes
   
3.   SlaterKosterFiles = Type2FileNames {
   
4.     Prefix = "/home/user/bin/dftb/1.2/slako/mio-0-1/"
   
5.     Separator = "-"
   
6.     Suffix = ".skf"
   
7.   }
   
8.   charge = 1.0   // not neccessary your case, default 0
   
9.   MaxAngularMomentum {
   
10.     C = "p"
    
11.     N = "p"
    
12.     H = "s"
    
13.     O = "p"
    
14.   }
    
15.   Filling = Fermi {
    
16.     Temperature [Kelvin] = 50
    
17.   }
    
18.   DampXH = Yes
    
19.   DampXHExponent = 4.53
    
20. }

复制代码

SCC-DFTB2-h-dispersion 带氢键校正并加色散校正

1. Hamiltonian = DFTB {
   
2.   SCC = Yes
   
3.   SlaterKosterFiles = Type2FileNames {
   
4.     Prefix = "/home/user/bin/dftb/1.2/slako/mio-0-1/"
   
5.     Separator = "-"
   
6.     Suffix = ".skf"
   
7.   }
   
8.   charge = 1.0
   
9.   MaxAngularMomentum {
   
10.     C = "p"
    
11.     N = "p"
    
12.     H = "s"
    
13.     O = "p"
    
14.   }
    
15.   Filling = Fermi {
    
16.     Temperature [Kelvin] = 50
    
17.   }
    
18.   Dispersion = SlaterKirkwood {
    
19.     PolarRadiusCharge = HybridDependentPol {
    
20.       C = {
    
21.         CovalentRadius [Angstrom] = 0.8
    
22.         HybridPolarisations [Angstrom^3, Angstrom,] = {
    
23.           1.382 1382 1.382 1.064 1.064 1.064 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 2.50
    
24.         }
    
25.       }
    
26.       H = {
    
27.         CovalentRadius [Angstrom] = 0.4
    
28.         HybridPolarisations [Angstrom^3, Angstrom,] = {
    
29.           0.386 0.386 0.000 0.000 0.000 0.000 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 0.80
    
30.         }
    
31.       }
    
32.       N = {
    
33.         CovalentRadius [Angstrom] = 0.8
    
34.         HybridPolarisations [Angstrom^3, Angstrom,] = {
    
35.           1.030 1.030 1.090 1.090 1.090 1.090 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 2.82
    
36.         }
    
37.       }
    
38.       O = {
    
39.         CovalentRadius [Angstrom] = 0.75
    
40.         HybridPolarisations [Angstrom^3, Angstrom,] = {
    
41.           0.560 0.560 0.000 0.000 0.000 0.000 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 3.8 3.15
    
42.         }
    
43.       }
    
44.     }
    
45.   }
    
46.   DampXH = Yes
    
47.   DampXHExponent = 4.53
    
48. }

复制代码

（SCC-DFTB3-h 见二楼）

ChemiAndy

SCC-DFTB3-h

1. Hamiltonian = DFTB {
   
2.   SCC = Yes
   
3.   SlaterKosterFiles = Type2FileNames {
   
4.     Prefix = "/home/user/bin/dftb/1.2/slako/mio-0-1/"
   
5.     Separator = "-"
   
6.     Suffix = ".skf"
   
7.   }
   
8.   charge = 1.0
   
9.   MaxAngularMomentum {
   
10.     C = "p"
    
11.     N = "p"
    
12.     H = "s"
    
13.     O = "p"
    
14.   }
    
15.   Filling = Fermi {
    
16.     Temperature [Kelvin] = 50
    
17.   }
    
18.   DampXH = Yes
    
19.   DampXHExponent = 4.53
    
20.   ThirdOrderFull = Yes
    
21.   HubbardDerivs = {
    
22.     C = -0.1492
    
23.     N = -0.1535
    
24.     H = -0.1857
    
25.     O = -0.1575
    
26.   }
    
27. }

复制代码

lira

感谢大佬的分享

DCchen

多谢分享！入门小白想请教一下，Temperatue是根据什么来设定具体大小的？

ChemiAndy

关于Fermi Filling的Temperature，这一部分手册并没有给出一个清晰的参数设置指导。我的理解是，这个参数只是为了加速金属体系收敛速度而进行设置的，其值大小也只影响收敛速度而不影响最后的结果。因此，你可以在0~3000K范围内尝试，取得最好的收敛速度。

这里的Fermi Filling其实就是其它第一原理计算软件中的smearing method. 对于金属体系，因为使用了有限K点计算而不能够连续地在费米面附近进行积分（密度-能量计算），导致计算很难收敛。因此，使用了一个所谓“部分占据”（partial occupied）技巧，用一个平滑的函数来取代积分中的步进函数。这个平滑的函数有很多形式，Fermi-Dirac形式，Methfessel Paxton形式， 高斯形式等等。当使用Fermi-Dirac形式的时候，这个费米温度Fermi Termperature就用来调节这个函数的平缓度。温度越低越陡峭，温度越高越平缓。如果体系的金属性很强，电子密度在费米面之上弥散的厉害，就要使用很平缓的函数形式，意味着要设置高一点的Fermi Temperature.


那么，对于半导体和非金属体系，是否需要设置呢？从原理上讲，是无需设置的，默认为0即可。不过，我遇到过有个网友对非金属体系设置了这个温度为300K后提高了收敛速度的情况。我没有验证过，但是如果你有收敛问题，这个也可以尝试一下。

以上部分内容在VASP的在线手册里面有详细的数学推导和说明：
（1）部分占据以及不同方法：https://cms.mpi.univie.ac.at/vas ... ferent_methods.html
（2）有限温度smearing方法：https://cms.mpi.univie.ac.at/vas ... earing_methods.html
  (3)  VASP中关于smearing的设置建议：http://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/guide/node172.html

DCchen

ChemiAndy 发表于 2018-3-21 13:00
关于Fermi Filling的Temperature，这一部分手册并没有给出一个清晰的参数设置指导。我的理解是，这个参数只 ...

解释的很清楚，十分感谢！

get-it

楼主是否用DFTB+作过结构弛豫？我用DFTB+优化结构时，晶格弛豫和原子位置弛豫似乎不是同时进行的。

granvia

ChemiAndy 发表于 2018-3-21 13:00
关于Fermi Filling的Temperature，这一部分手册并没有给出一个清晰的参数设置指导。我的理解是，这个参数只 ...

电子温度即使对半导体绝缘体最好也不要设为零，跟CPMD是类似的

whtu

您好，试着跑一个例子测试，出现如下错误：
***  Parsing and initializing

Parser version: 6

Interpreting input file 'dftb_in.hsd'
--------------------------------------------------------------------------------
***  Converting input from version  3 to version  6 ...
WARNING!
-> Keyword moved to Analysis block.
Path: dftb_in/Options/CalculateForces
Line: 51-51 (File: dftb_in.hsd)

WARNING!
-> Adding legacy step size for finite difference differentiation
Path: dftb_in/Hamiltonian/DFTB/Differentiation

***  Done.

Reading SK-files:
  O-O.skf
ERROR!
-> IO error in file 'O-O.skf': Unable to read 1st data line

这里提示读取.skf出错，我的这些文件是从官网下载的，请问是什么原因？

另外： 我的DFTB+是在 https://www.dftbplus.org/download/dftb-stable/ 下载的 executables(x86_64/Linux)，然后解压就用。

ChemiAndy

Reading SK-files:
  O-O.skf
ERROR!
-> IO error in file 'O-O.skf': Unable to read 1st data line

wuzhiyi

SCC-DFTB3是不需要加色散矫正么？

plus

感谢分享

lcdamoy

ChemiAndy 发表于 2018-3-21 13:00
关于Fermi Filling的Temperature，这一部分手册并没有给出一个清晰的参数设置指导。我的理解是，这个参数只 ...

温度不影响最终结果？
我对一个简单的水分子计算，0K和300K完全是不同的结果，而且手册中提到，当温度设为有限温度时，结果都需要读取和零温下不同的输出项

破晓时的曙光

ChemiAndy 发表于 2018-3-9 21:52
SCC-DFTB3-h

请教一个问题，这个能够像上面的SCC-DFTB2-h-dispersion一样加色散校正吗

ChemiAndy

可以